第6章基于集成运算放大器的有源RC滤波器分析与设计.pptx
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第四章集成运放的应用有源RC滤波器,模拟电子技术基础,6.1滤波器基本原理,6.3开关电容滤波器,6.2有源滤波器,6.4有源滤波电路总结,6.1滤波器基本原理,一、滤波器的概念,四、无源滤波电路和有源滤波电路,三、滤波器的实现,二、滤波器的分类,一、滤波器的概念,滤波器:
有用频率信号通过、无用频率信号被抑制或衰减,滤波电路传递函数定义,时,有,其中,模,幅频响应,相位角,相频响应,二、滤波器的分类,1)低通滤波器(LPF),通带放大倍数,通带截止频率,下降速率,理想幅频特性无过渡带,用幅频特性描述滤波特性,要研究、(fP、过渡带下降速率)。
2)高通滤波器(HPF),3)带通滤波器(BPF),4)带阻滤波器(BEF),5)全通滤波器(APF),阻容耦合,通信电路,抗已知频率的干扰,f-转换,逼近函数实现理想滤波器,理想滤波器的幅频特性曲线在工程上是不可能实现的,工程实际中多采用物理可实现函数逼近理想滤波器的幅频特性曲线。
三、滤波器的实现,根据通带、阻带和过渡带的幅频响应特性,滤波器可以分类为:
最平幅度滤波器(Butterworth滤波器),通带等波纹滤波器(Chebyshev滤波器),阻带等波纹滤波器(InverseChebyshev滤波器),通、阻带等波纹滤波器(椭圆函数滤波器)线性相位滤波器(又称Bessel滤波器),巴特沃斯滤波器,巴特沃斯滤波器是一种最平低通响应滤波器。
其特点是幅频响应在通带内具有最平坦的幅度,由通带到阻带衰减陡度较缓,相频特性具有非线性的特点。
切比雪夫滤波器是在通带内具有等纹波响应特性的滤波器。
2.切比雪夫滤波器,3.椭圆滤波器,椭圆滤波器的特点是在通带和阻带中幅频特性都不是单调平滑的,但有最陡峭的边界特性。
4.贝塞尔滤波器,贝塞尔滤波器是群延迟具有最大平坦(线性相位响应)特性的滤波器,4)贝塞尔滤波器在通频带范围内,有近似的线性时延特性和较平坦的幅度特性,保证了信号处理的准确性及信号的无畸变传输,常用作音频系统ADC输入之前的抗混叠滤波器以及DAC输出端的平滑滤波器。
5.不同滤波器的对比,1)巴特沃思滤波器的幅频特性与相频特性都比较均衡,在实际中应用最广。
2)切比雪夫滤波器相位响应较差。
用于对各频率分量的相对幅度要求较高而对相位关系要求不严的信号处理,如声音信号。
3)椭圆滤波器在通带和阻带等波纹。
相比其他类型的滤波器,在阶数相同条件下通带和阻带的波动最小。
四、无源滤波电路和有源滤波电路,负载变化,通带放大倍数和截止频率均变化。
1.无源滤波器(存在负载效应),无源滤波电路的滤波参数随负载变化;不能提供增益,通常存在信号衰减;无源滤波电路可用于高电压大电流,如直流电源中的滤波电路;零功耗;,2.有源滤波电路,利用集成运放的高输入阻抗和低输出阻抗避免负载效应,滤波参数不随负载变化;能提供增益;有源滤波电路是信号处理电路,其输出电压和电流的大小受有源元件自身参数和供电电源的限制。
有源滤波电路优缺点:
无源滤波电路优缺点:
6.2有源滤波器,一、低通滤波器,二、高通、带通、带阻有源滤波器,一、低通滤波器,
(1)一阶电路,1.同相输入低通滤波器,传递函数:
分析方法:
电路引入了负反馈,具有“虚短”和“虚断”的特点利用节点电流法求解输出电压与输入电压的关系。
为了使过渡带变窄,需采用多阶滤波器,即增加RC环节。
频率趋于0时的放大倍数为通带放大倍数,决定于RC环节,表明进入高频段的下降速率为20dB/十倍频,
(2)简单二阶LPF,C1=C2=C,(3)压控电压源二阶LPF,传递函数,式中,分析方法:
电路引入了正反馈,具有“虚短”和“虚断”的特点利用节点电流法求解输出电压与输入电压的关系。
正反馈,对正弦稳态系统,
(1)Q值的大小对幅频特性在,附近的影响较大;,
(2)当Q=0.578时,称为Bessel滤波器,低通特性单调下降且通带较窄;,(3)当,时,幅频特性曲线最平坦(Butterworth);,(4)当Q=0.943时,称为Chebyshev滤波器;,(5)当,时,电路将产生自激振荡。
后,特性曲线将出现峰值,Q值越大,峰值越高;,(6)当,幅频响应特点:
Q直接影响幅频响应特性,2.反相输入低通滤波器,负反馈,二、高通、带通、带阻有源滤波器实现方式,与LPF有对偶性,将LPF的电阻和电容互换,就可得一阶HPF、简单二阶HPF、压控电压源二阶HPF电路。
1.高通滤波器(HPF),对偶性,2.带通滤波器(BPF)=特定条件下的低通与高通的串联,3.带阻滤波器(BEF)=特定条件下的低通与高通的并联求和,fHfL,fHfL,4.二阶压控电压源型(Shallen-key)滤波器的电路实现及工程设计,解得,选取电阻和电容来代替,中相应的导纳可构成低通、,高通、带通等二阶有源滤波电路,其中:
1)二阶低通滤波电路,传递函数,式中,2)二阶高通滤波电路,设,传输函数为,整理得,式中,稳态响应,幅频响应,相频响应,3)二阶带通滤波器,设,其传输函数为,稳态响应,幅频响应,相频响应,6.3开关电容滤波器,一、工作原理,二、开关滤波电路应用,开关电容滤波器的主要特点是用开关和电容来代替电路中的电阻。
其最大优点是结构简单、制造方便、价格低廉、无需更换元件,只需改变时钟频率和编程引脚电平就可以在一定的范围内改变滤波器的中心频率和Q值。
开关电容时钟脉冲波形,MOS管,和,起开关作用,,和,分别由时钟脉冲,和,来控制的,两相时钟脉冲,和,互补。
一、工作原理,3)从左到右传输的总电荷为,1)当时钟信号为高电平时,S1管导通,S2管截止,电容C与1-1端接通,充电电荷为,2)当时钟信号,高电平时,S2管导通,S1管截止,电容C与2-2,接通,C放电,放电电荷,等效电流,等效电阻,开关电容网络有以下特点:
(1)开关电容积分器的积分时常数只取决于“电容比”,与单个电容值无关;
(2)可通过改变时种频率来改变积分器时常数;(3)由开关、电容和运放组成的开关电容电路易于MOS集成工艺实现,不仅体积小、重量轻、功耗低,而且可实现生产自动化,低成本;(4)利用开关连接不同电容的方法,可以实现程控滤波或自适应滤波;(5)集成度高,与数字电路工艺兼容,可在芯片上同时实现数字电路和模拟电路。
二、开关滤波电路应用,6.4有源滤波电路总结,1.一阶RC无源低通滤波器,2.一阶RC无源高通滤波器,低通,高通,互偶,总结:
3.各种类型滤波器的关系,低通,高通,带通,带阻,互偶,串联,并联,互补,4.二阶滤波器的一般表达式,低通,高通,带通,带阻,
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